Почему трансформатор гудит при работе?

С детства каждому известно: гул, доносящийся из трансформаторной будки – это нормально, это часть работы установленного там оборудования. Тем не менее, немногие задумывались, почему же именно так происходит, что обуславливает шумы и насколько это безопасно. Именно в этих вопросах мы сегодня и будем разбираться.

Часто можно услышать упрощённое объяснение, что звуки, исходящие от будки или подстанции, обусловлены вибрацией установки. Однако, должна же быть и причина у такой вибрации. Чуть более осведомлённые люди уже обычно описывают происходящие внутри трансформатора процессы как разбалтывание витков или обмоток, которые стучат о металлическую рамку, однако снова встаёт вопрос, отчего же в условно монолитном устройстве начинается движение части элементов. Может ли случиться так, что намотка «болтается» между рамкой, сердечником и наружной рамкой? Влияет ли частота тока на частоту колебаний внутренних узлов? Давайте разбираться.

Научное объяснение

Правильное название явления, которое обуславливает шумы и вибрацию при работе трансформатора – магнитострикция. Этим словом обозначают изменение формы и размера ферромагнита, возникающее под воздействием переменного поля. В принципе, те же процессы происходят и в привычных нам проводах и кабелях, только их строение обычно не позволяет достичь уровня слышимого звука. А вот при значительном повышении напряжения – до тех величин, при которых работают высоковольтные ЛЭП, услышать шумы всё же возможно даже без применения специального оборудования.

Если попытаться объяснить рассматриваемый процесс по-простому, то можно сказать, что настоящий источник шума – это точечная, фрагментарная деформация сердечника. Однако, рассмотрим всё по порядку. Для начала необходимо правильно себе представить, что такое трансформатор: обычно это две катушки с намотанной на них проволокой, которые окружены металлическим сердечником. При этом важно понять, что этот самый сердечник представляет собой не монолитное изделие из металла, а составлен из множества тонких пластинок, соединённых воедино. При работе на трансформатор поступает переменный ток, который попадает на первичную обмотку и генерирует в ней электромагнитное поле. Через сердечник оно передаётся и вторичной обмотке, а на ней, в свою очередь, возникает ток с отличающимся вольтажом. Выходная величина напряжения будет зависеть от количества витков в обеих обмотках, потому между уровнем вольтажа и размерами катушек есть прямая связь.

Из-за того, что общий сердечник системы – это не цельный объект, в нём имеется множество микроскопических зон, о которых наука знает лишь, что в неработающем состоянии магнитное поле там не упорядочено. Когда же на первичную катушку подаётся ток, структура поля упорядочивается, и это заставляет сам материал сердечника немного деформироваться – в отдельных зонах сжиматься, в других – разжиматься. Именно этот процесс и называется магнитострикцией, а вибрации и шум, который они провоцируют, являются лишь следствием комплекса происходящих процессов.

Частота гула довольно низкая, что и позволяет человеческому уху его улавливать. Будь она выше, мы бы, скорее всего, ничего даже не слышали. Поскольку речь идёт о переменном токе, магнитное поле успевает дважды за фазу сменить своё направление, «раскачивая» все микрообласти металла сердечника. Как мы знаем, в Украине бытовая электрическая сеть на 220 В работает при частоте 50 Гц, и это означает, что трансформаторные обмотки колеблются вдвое чаще – с частотой 100 Гц. А вот в США, где общие сети выдают 110 В при 60 Гц, и трансформаторы звучат выше – при 120 Гц.

Исследование явления изменения формы и размеров ферромагнитных тел проводились ещё в ХІХ-том веке. Широко известный английский учёный-исследователь Джеймс Джоуль в 1842-ом году заметил, что при помещении тонкого железного объекта в магнитное поле металл удлиняется в одном направлении и сокращается в другом, сохраняя прежний объём. Естественно, что такая деформация сопровождается звуками – ведь каждому легко себе представить, что он услышит при попытке согнуть лист металла или даже обычной фольги. Ну а в условиях действия электромагнитного поля подобные процесс систематизируются и обретают стабильную частоту.

Наибольшее влияние на общий уровень шума оказывают габариты трансформаторов и величина нагрузки, под которой они постоянно работают. Вдобавок, немалое значение имеет и сталь, которая используется для формирования наборного сердечника. Обычно вся трансформаторная установка собирается довольно плотно, потому как таковой люфт деталей почти исключается, из-за чего устройство вибрирует почти как единое целое. Листы сердечника многократно искривляются-колеблются, это передаётся маслу и опорным частям конструкции, а оттуда – масляным бакам, кабелям и системам прокладки кабеля, защитным кожухам и стенам помещений. Исследования показали, что при работе установки для обеспечения домов током обычной частоты, длина волны в трансформаторном масле составляет около 12 м. При этом стенка бака с ним находится на чрезвычайно малом расстоянии от опорной части сердечника, а потому при нарастании слоя пыли на масле эти два элемента почти срастаются. Таким образом бак не просто принимает вибрации и резонирует вместе с ядром трансформатора, но даже воспроизводит звук и увеличивает его громкость.

Сегодня существует огромное количество исследований на тему того, как именно между собой коррелируют вибрация, шум и процессы внутри трансформатора. Известно, что электротехнические стали, в зависимости от метода прокатки, по-разному ведут себя в составе сердечников и провоцируют возникновение звуков с отличающимися тонами. Физические свойства этих металлов оказывают влияние на саму природу магнитострикции, притом совершенно естественная неидентичность листов, составляющих сердечник, вносит дополнительный вклад в то, как трансформатор будет звучать при работе. Сегодня известно, что и продольные, и поперечные колебания пластин формируют примерно одинаковый по интенсивности звук. Потому даже при попытке подавить вибрацию в одном направлении, в другом она останется в полной мере, а общее прогнозируемое снижение зашумлённости составит всего 3 дБ, что можно назвать почти несущественным.

Другие причины шума и гула

Разумеется, столь комплексные процессы, как описанные выше, имеют огромное количество нюансов и не все из них можно передать простыми словами людям без специальной подготовки. Тем не менее, любой человек в силах отметить, что трансформаторы звучат неодинаково, хотя сеть по всей стране одна. Почему же тональность всё-таки различается? На самом деле для этого есть сразу несколько причин.

1. Катушки плохо изолированы. Если изоляция обмоток окажется недостаточна или будет фрагментарно повреждена, между витками начнут проскакивать искры. Для человеческого уха это будет слышно как щелчок или потрескивание. С увеличением количества щелчков и их частоты изменится и общее восприятие трансформаторного гула. В сущности, та же самая причина вызывает гул высоковольтной ЛЭП при высокой влажности или после дождя. При критическом повреждении изоляции обмоток трансформатора шум меняется кардинально и щелчки уже почти начинают заглушать звук от вибрации стенок пластин сердечника. Данную ситуацию можно смело называть предаварийной.
2. Компоненты плохо закреплены. Зачастую в трансформаторах разбалтываются только те части, которые собираются на месте или крепятся мастерами непосредственно для коммутации. Это либо клеммы, либо зажимы проводов, которым вибрация просто передаётся при работе, из-за чего они начинают уже сами колебаться при отличающейся частоте. Кроме того, части кабелей, которые выходят из-под короба, защищающего трансформатор, и направляются к распределительным щитам, могут постукивать об обшивку, сопровождая мерный гул дополнительным и даже устрашающим грохотом.
3. Работа вспомогательного оборудования. На трансформаторных подстанциях установлены не только сами трансформаторы, но и ряд устройств, обеспечивающих жизнедеятельность этого объекта инфраструктуры. Потому в небольших зданиях из белого кирпича могут также шуметь вентиляционные установки, охлаждающие основное оборудование, или насосы, перекачивающие масло для самой работы трансформаторов.

Отметим, что уровень шума, который будет исходить от работающих трансформаторов, официально нормируется – по правилам он не должен превышать определённых величин. Лимиты задаются как по абсолютным значениям уровня шума, так и по ряду относительных – в зависимости от удалённости от жилой постройки или целого населённого пункта, от той мощности, на которую рассчитан трансформатор, от типа его конструкции и пр. На каждый случай имеется либо ГОСТ/ДСТУ, либо распространяется норма из СНиП, ГСН или ПУЭ. Для того, чтобы снизить эффекты шумового загрязнения, рядом с трансформаторами обычно монтируют особые экраны, обладающие звукопоглощающими свойствами, либо же вообще вносят некие изменения в конструкцию аппаратуры, организуя глушители.

Гудение автоматики в домашнем щитке

Нередко люди жалуются на то, что гул, похожий на трансформаторный, они слышат из бытового щитка. Защитная автоматика действительно может порой гудеть, потому что внутри неё содержатся блоки с принципом действия, напоминающим тот, что описан выше. Безусловно, в быту на первое место выходит не техническая сторона вопроса, а безопасность. Жильцы сильно беспокоятся: нормально ли, что при этом нет запаха гари, не станет ли шум причиной возгорания, опасен ли он, надо ли с ним бороться и, если да, то насколько срочно.

На все эти вопросы ответить относительно нетрудно. Если вспомнить, как устроен любой современный автоматический выключатель, то станет ясно, что искать причину можно только в одном узле. Разъясним: в данных устройствах сегодня имеется тепловой и электромагнитный расцепитель. Первый представляет собой пластину из биметалла, которая нагревается под воздействием тока и замыкает/размыкает цепь, а второй состоит из катушки с подвижным сердечником. В тепловом расцепителе попросту нет элементов, которые способны вибрировать мгновенно – только плавно изгибаться, и то при особых условиях. Зато в электромагнитном расцепителе есть и катушка (потенциальный источник гула и треска), и подпружиненный стержень, который предназначен для перемещения по каналу от края до края. Зачастую как раз люфт этого сердечника внутри своего канала и заставляет домашнюю автоматику гудеть. В устройстве много металла и подвижных компонентов, из-за чего дребезг усиливается даже при несущественной в абсолютном измерении вибрации.

При значительной мощностной нагрузке на сеть, а особенно – обеспечиваемой несколькими устройствами с разным принципом потребления энергии, токи могут поместить сердечник в такую область внутри катушки, где он будет постоянно издавать звук. При этом пружина, которая должна его стабилизировать, наоборот, послужит неким дополнительным резонатором. Одновременно подключив в розетки своей квартиры пылесос, утюг и болгарку, можно перевести сердечник в то самое неудачное положение, поскольку профиль тока, питающего каждое из этих устройств будет отличаться. «Сбросить настройки» можно просто отключив всю мощную технику и дав автоматике немного отдохнуть.

Ответ на вопрос о том, как себя следует вести при гудении автоматов, тоже довольно лёгок. Практически всегда небольшой шум – это нормально с точки зрения эксплуатации. Он не может привести к пожару или вывести из строя технику, не спровоцирует другие неполадки. Скорее всего, это просто недоработка проектировщиков такой автоматики – особенно, если она была дешёвой. Нужно ли менять такой модуль? Обязательного требования нет. Заменять его стоит только в том случае, если он действительно своим шумом выводит жильцов из психического равновесия. Если гудящий автомат не мешает, о нём можно забыть и относиться столь же равнодушно, как к стоящей во дворе трансформаторной подстанции.